高效的全双工即时通信 WebSocket
1. 历史演进概览
什么是 WebSocket？它是定义客户端和服务端如何通过 Web 进行通信的一种网络协议，该通信协议于2011年被IETF（互联网工程任务组）定为标准RFC 6455，并由RFC7936补充规范。
在 WebSocket 协议之前，还有几种方案可用于实现即时通信。下面将依次介绍。
1.1 HTTP1.0/1.1
在HTTP 1.0/1.1 中，客户端和服务端建立通信，需要通过发送请求与等待响应。由于 HTTP 是无状态的的，每一次请求和响应都需要在 header 中携带大量信息，并且由于其半双工特性，同一时间流量只能单向流动，即请求发送出去，需要一直等待响应的到来，才能做下一步的操作，一定程度上造成了通信低效。
1.2 轮询
在需要显示股票价格走势等这一类对信息实时性要求较高的场景，如果每次都由用户手动去刷新浏览器获取最新信息，会存在明显滞后性。因此可以设定一个定时器，每个一段时间，就像服务端发送请求获取最新结果，这种方法被称为”轮询“（polling）。
如果能明确知道服务端数据更新的间隔，那么轮询是一个不错的方案。然而大部分时候，是无法预测数据什么时候更新的，每个固定周期都发送请求查询，会产生很多不必要的请求，造成浪费。
1.3 长轮询
长轮询（long polling）则是基于轮询的另一种方案，它也被称为 Comet 或者反向 AJAX。服务端收到客户端请求后，会保持请求打开，直到有客户端可用的信息或者超时了，才返回可给客户端。这么处理相对于普通的轮询，优点是可以减少不必要的请求。但是当信息更新很频繁时，长轮询相对于普通轮询的优势就不再明显。
1.4 HTTP Streaming
前面涉及的轮询，每一次请求响应结束后，都会关闭连接。下一次请求，客户端依然需要在请求头中携带大量信息。而 HTTP Streaming 流化技术的实现机制是客户端发送一个请求，服务端发送一个持续更新和保持打开的开放响应。每当服务端有客户端可用信息时，就更新响应，但是连接始终保持打开。通过这种方式来规避频繁请求带来的不必要开销。
HTTP Stream 存在的缺点是和灵活的全双工通信还存在着距离，还是以单向通信为主，服务端可以自由地发数据给客户端，但客户端缺没办法。
1.5 WebSocket
WebSocket 是一种全双工，高实时，双向，单套接字长连接。由一次HTTP请求可升级为 WebSocket 连接，可重用客户端到服务端，服务端到客户端的同一连接。它和 HTTP 同属于计算机网络七层模型的应用层，基于TCP传输，二者的差异性如下。
| 特性 | HTTP | WebSocket |
|---|---|---|
| 内容 | MIME 消息 | 文本、二进制消息 |
| 传输 | 半双工 | 全双工 |
2. 连接管理
WebSocket 协议的具体运作主要分为三部分：握手建立连接，数据传输，关闭连接。
2.1 握手建立
2.1.1 HTTP 请求升级
在上方图中可以看到 WebSocket 连接建立的大致流程为一次 HTTP的请求与响应，然后便可建立连接。
初始阶段客户端客户端发送 HTTP Upgrade Request，在 Request Header 中告知服务端将升级为 WebSocket。
其中红色字段为必选。
握手建立一开始由客户端发送一个 HTTP 请求，在 Header 中携带信息告知服务端升级为 WebSocket。其中红色和绿色为必选信息。
Connection 告知服务端为长连接，且需要升级
Upgrade 告知服务端升级为 WebSocket。
Sec-WebSocket-Version指定使用的 WebSocket 版本，一般是使用最新的版本，具体有哪些版本，可以参考这里 WebSocket 版本，当前最新版本为 13，所以这里指定该字段的值为 13。
Sec-WebSocket-Key 是一个必选字段，它是一个随机数。这个字段主要和后面服务端返回的Sec-WebSocket-Accept 配套使用，减少一些恶意连接和意外连接。后面会详细介绍
2.1.2 Server response
服务端响应
Sec-WebSocket-Accept 是基于客户端传递的 Sec-WebSocket-Key 计算而来。它有一个公开的算法
首先将 Sec-WebSocket-Key 和一个固定的字符串常量 GUID 拼接起来。
拼接后的字符串经过 SHA1 计算，并转成 Base64 编码，即为Sec-WebSocket-Accept 值。
算法都是公开的，这种处理方式并不是为了加密以保证数据安全。它主要是为了减少一些意外和恶意连接，更具体的可概括为如下：
- 前端使用 Ajax 发送请求时，请求头中是无法设置
Sec-WebSocket-Key字段的，这样子可以避免 使用 Ajax 发送HTTP 请求时意外升级为 WebSocket。 - 客户端通过识别
Sec-WebSocket-Accept是否计算正确，确保知道服务端已理解 WebSocket 协议(也会有意外，比如服务端单纯计算了Sec-WebSocket-Accept，但没有做具体的 WebSocket 相关操作)。
2.2 消息传输
Message消息：一条消息（message）可由一个或多个帧(Frame)组成，很多时候会将帧和消息混用，因为大部分时候一条消息只使用一个帧。
一个帧的构成如下
FIN 表示消息的结尾，FIN = 1 即这条消息结束了。
RSV1, RSV2, RSV3 一般为都为0。
opcode表示操作码，它由 4个 bit 组成，即在16进制中取值范围 0~F。它的对应取值如下
0：表示这是一个持续性，一条消息由多个帧组成，这是其中一个帧。
1：消息数据类型为文本。（这条消息包含的帧都是文本类型）
2：消息数据类型为二进制。（这条消息包含的帧都是二进制类型）
8：客户端或服务端向对方发送关闭握手
9：客户端或服务端向对方发送 ping
A：客户端或服务端向对方发送 pong
B~F：为保留操作码。
上图一条消息由3个帧构成，从左往右依次的规律为：
左 FIN = 0，opcode = 1，表示这是一个文本帧，消息还没结束
中 FIN = 0, opcode = 0，这是一个持续帧，消息还没结束
右 FIN = 1，opcode，消息结束，这是该消息最后一帧了。
如果一条消息只有一个帧组成，那么 opcode 取值必然大于0，FIN的值固定为 1。
Payload len: 用于表示数据长度，一共7位，即取值范围可以是 0~ 2^7(127) 。
数据长度小于等于 125字节，则使用红色圈出的区域即可，剩余的 Extened payload不使用。
数据长度 126~2^16-1 字节，Payload len值为 126。
数据长度 2^16 ~ 2^64-1， Payload len 值为 127。
2.3 心跳管理
通信双端之间需要通过心跳确保对方还处于连接状态，心跳本质上也是一条消息，它含有一个心跳帧。如果识别心跳帧？基于opcode。
opcode = 9：这是一个ping，可以和普通的帧一样携带数据。
opcode = A：这是一个pong (当一端收到 ping 之后，会回复一个 pong 给对方，且必须与ping数据相同)。
2.4 关闭连接
WebSocket 是基于 TCP 的，需要先关闭上层 WebSocket 连接，才会关闭 TCP。
要关闭 WebSocket 连接时，A 端 一个opcode = 8的关闭帧发送给对方。关闭帧可以携带数据，说明连接关闭的原因。发送关闭帧后，进入 closing 状态，此时可以接受数据，但是无法发送。B 端收到关闭帧后，会回复一个关闭帧，此时不再接受任何消息。A端收到回复后，进入 closed 状态，此时 WebSocket 彻底关闭。
关闭帧的 payload 数据前2个字节可以表示关闭会话的原因。
参考资料
https://tools.ietf.org/html/rfc6455
https://time.geekbang.org/course/detail/175-93596
https://en.wikipedia.org/wiki/WebSocket#References
https://www.iana.org/assignments/websocket/websocket.xml#version-number
https://www.cnblogs.com/chyingp/p/websocket-deep-in.html
http://www.adambarth.com/papers/2011/huang-chen-barth-rescorla-jackson.pdf
http://websocket.org/quantum.html
https://halfrost.com/websocket/
https://sookocheff.com/post/networking/how-do-websockets-work/#:~:text=Closing%20a%20WebSocket%20connection%20%E2%80%94%20The,indicates%20the%20reason%20for%20closing
《HTML5 WebSocket权威指南》